高庙子膨润土水化膨胀特性及其微观机理研究

膨润土具有遇水膨胀的特性,是高放核废料深地质处置库理想的缓冲回填材料。膨胀特性是其作为缓冲材料最重要的性能之一,同时受多方面因素的影响。本文以我国首选缓冲材料高庙子膨润土为研究对象,以含水率和干密度为控制变量,以恒体积法为试验方法,研究了高压实高庙子膨润土的水化膨胀特性,采用压汞试验法(MIP)对膨润土微观结构进行了研究,并以此对水化膨胀特性进行了解释。膨胀力试验结果表明,高庙子膨润土的膨胀力发展形式和最大膨胀力均受试样含水率和干密度影响,干密度较小时,水化曲线呈明显的双峰结构,干密度较大时,水化曲线形态与含水率相关,随着含水率增大,双峰结构逐渐消失。MIP试验结果表明,高庙子膨润土的孔径分布同样受含水率和干密度影响,随着含水率和干密度降低,集合体间大孔隙体积增多。膨润土的水化膨胀曲线受集合体间大孔隙影响显著。大孔隙较多时,膨润土集合体能迅速膨胀形成临时结构,当膨胀力超过临时结构的极限荷载时发生坍塌,膨胀力回落,内部结构重组后继续水化达到最大膨胀力,因此其水化膨胀曲线呈明显的双峰结构。随着大孔隙量减少,水化膨胀曲线由双峰结构演变成一条平滑曲线。     

化学作用下高庙子膨润土屏障性能演化行为

深地质处置库运营过程中,受地下水化学成分、可能泄露的核素等近场化学条件影响,膨润土工程屏障性能可能发生衰减。围绕化学作用下膨润土屏障性能的演化行为,以我国北山处置库预选场地为工程背景,以内蒙古高庙子膨润土为研究对象,首先介绍了高庙子膨润土的基本物理性质及北山预选场地近场化学条件;在此基础上,详细总结了化学作用下高庙子膨润土水力、力学及阻滞等屏障性能演化行为相关研究成果。结果表明:化学作用对膨润土持水、渗透特性的影响可分别依据渗透吸力及双电层理论解释;化学作用下膨润土膨胀力的衰减与其水化膨胀机制有关,化-力耦合及化-水-力耦合作用下膨润土变形特性因渗透固结、化学软化效应而发生改变;膨润土的吸附与扩散特性受核素浓度、离子环境、pH值等因素影响。最后,提出化学作用下膨润土屏障性能演化研究应重点关注的方向。     

两种高庙子钠基膨润土膨胀特性比较研究

对两种高庙子钠基膨润土（简称GMZ001和GMZ07）在不同初始干密度下进行膨胀力试验、常压力下的膨胀变形试验以及压缩试验。试验结果表明,GMZ001的膨胀能力要比GMZ07的大,并且GMZ001比GMZ07更难压实。对饱和后两种膨润土进行压汞试验和扫描电子显微镜测试后发现,在相同孔隙比下,GMZ07集聚体间孔隙较多,并且GMZ001集聚体的水化程度大于GMZ07。结合土工和微观试验的结果,认为导致两者力学性能差异的主要原因是由于颗粒粒径大小的差异以及蒙脱石含量的不同。最后利用蒙脱石孔隙比的概念对两种膨润土的浸水膨胀试验结果进行归一化,并对膨润土的膨胀特性进行了预测。     

高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型

高放废弃物深地质处置库中,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土的设计功能是,遇水吸湿导致土体膨胀变形,以密封高压实膨润土块体砌置时形成的块体与块体之间和块体与围岩之间的施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝,形成阻障围岩中地下水渗入内库引起核素迁移,与库内高放废物的辐射扩散的人工屏障。高压实膨润土在自由膨胀条件下的膨胀应变和非饱和渗透系数由渗透试验测得;孔隙比和吸力的关系由压汞试验测得。吸力和含水率的函数关系可由土-水特征曲线测试试验得到。因此,自由膨胀条件下膨润土的非饱和渗透膨胀模型由膨胀应变、非饱和渗透系数和孔隙比与吸力的函数关系建立。结果表明：渗透系数和体积应变都随吸力减小而增加,因为吸力减小会导致孔隙比增加。这一发现有助于设计高放废物的最终处置方案。     

膨润土膨胀变形的分形模型

Xu等[1] 提出基于膨润土表面分形模型的膨胀变形计算方法 Vw／Vm=kPDs-3(式1),并得到了Tsukinuno膨润土、Wyoming膨润土和MX-80膨润土的膨胀变形和膨胀压力(统称膨胀变形)的膨胀试验数据的验证。当时由于条件限制,存在两个问题:(1)膨润土的表面分维一般采用氮吸附法测量,由膨胀变形试验数据反算得到的膨润土表面分维没有得到氮吸附试验数据的验证; (2)在归一化吸水体积与压力的分形模型(式1)中,K是膨润土的物性常数,没有给出理论表达式,只是经验系数。本文采用氮吸附方法测量了高庙子Na基膨润土、高庙子Ca基膨润土、商用膨润土和Tsukinuno膨润土的表面分维,根据式(1)由表面分维计算膨胀变形,并与膨胀试验数据比较,验证膨胀变形的分形模型; 根据双电层理论,导出用双电层参数表示式(1)中K值的理论表达式,用于膨胀变形的计算,并与膨胀变形试验结果进行比较验证。     

水化后GCL中膨润土的微观结构研究

近年来土工织物膨润土垫（GCL）被越来越多地应用到各种防渗工程之中,而水化后GCL中膨润土的微观结构会对GCL的长期防渗性能和力学性能产生影响。采用压汞试验,对水化后GCL中膨润土的微观结构进行定量分析,研究了液体对微观结构的影响,并通过化学分析来揭示液体产生影响的机制。结果表明,(1) 采用垃圾渗滤液水化后的膨润土孔隙体积密度最大,大孔径孔隙所占比例最高;(2) 出现上述规律的原因可以归结为两个方面,一是由于渗滤液中阳离子浓度最高而使得蒙脱石表面双电层厚度最小,二是更加频繁的离子交换作用使得蒙脱石表面大直径离子比例最高。     

孔隙溶液对膨胀土力学性质影响

为研究孔隙溶液的浓度和组分对膨胀土力学性质的影响规律,对含不同浓度的Na Cl、Ca Cl_2溶液的膨胀土进行自由膨胀率试验和直剪试验。试验结果表明,随着溶液浓度的增大,自由膨胀率先快速降低,再平缓下降;浓度相同时含Na Cl溶液的膨胀土其自由膨胀率比含Ca Cl_2溶液的稍大,随着溶液浓度的增大,土样的剪切强度和黏聚力降低;溶液对内摩擦角的影响较小。分析试验结果认为,膨胀土表面具有固定的负电荷,颗粒表面会形成双电层;随着盐溶液浓度的增大,双电层厚度降低,颗粒间斥力减小,使得粒间应力增大,土颗粒沉降,降低了自由膨胀率;阳离子化学价越高,半径越大,对双电层的影响越显著,因此Ca Cl_2溶液比Na Cl溶液对自由膨胀率的影响更大。另一方面,盐溶液会改变膨胀土的结构,使其从集聚状变成絮凝状。盐溶液增大粒间应力,使膨胀土的强度增大,结构的改变会使强度降低,上述两种影响因素对强度呈相反的趋势,对该广西膨胀土,结构的作用超过了粒间应力的影响。     

阳离子交换量和盐溶液浓度对膨润土膨胀变形的影响

膨润土遇水产生的膨胀变形以及膨胀力是由于颗粒间的斥力引起的,而该斥力大小与土体的固定负电荷密度（采用阳离子交换量CEC来表征）以及孔隙溶液的浓度有关,已有的对膨润土膨胀变形研究多针对孔隙溶液而非土体的阳离子交换量。现以钠基膨润土为研究对象,采用Li+固定法来控制膨润土的固定负电荷密度,以达到降低膨润土阳离子交换量的目的,再采用Li Cl为盐溶液,获得了上述不同阳离子交换量的膨润土在不同浓度的盐溶液作用下的膨胀指数。结果表明：随着溶液浓度升高,土样的膨胀指数降低;当浓度小于1 mol/L时,下降较为显著,之后则缓慢降低;随着阳离子交换量的减少,土样的膨胀指数也呈降低趋势。这是因为土颗粒的阳离子交换量和溶液浓度是影响土样与孔隙溶液物理化学作用的决定性因素,阳离子交换量越小,浓度越高,土颗粒之间的斥力降低,土样的膨胀指数则会降低。采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述试验结果,表明对于该种膨润土来说,不同阳离子交换量以及不同盐溶液作用下的回弹变形和回弹应力几乎在一条曲线上,这也进一步验证了粒间应力在膨胀土模拟中的有效性和适用性。     

膨润土热传导性能时效性试验研究

在不同初始条件下试验研究了静置时间对高庙子钠基膨润土GMZ07和MX80膨润土压实样热传导性能的影响。在保持试样干密度和含水率不变情况下,将不同初始状态试样分别静置1、5、30、60、100 d,随后采用热探针法进行热传导系数测试,并对部分试样进行压汞试验。试验结果表明：GMZ07和MX80膨润土的热传导系数均随静置时间的增长而减小,静置早期热传导系数减小较快,随着静置时间延续,热传导系数逐渐趋于稳定。在相同干密度下,静置时间引起的热传导系数减小量随含水率的增大而增大。结合压实膨润土试样的微观孔隙结构变化,认为膨润土热传导系数随静置时间发生变化的主要原因是：试样静置过程中,蒙脱石发生水化膨胀,部分土中水转变成热传导性能较差的惰性水,导致膨润土的热传导系数减小。     

盐溶液中膨润土膨胀变形的分形模型

当压实膨润土在蒸馏水中膨胀后,施加于膨润土颗粒上的有效应力通常被认为是外部施加的荷载,而当膨润土在盐溶液中膨胀时,膨润土颗粒所承受的有效应力还包括由孔隙水渗透吸力所引起的渗透应力。而压缩膨润土的蒙脱石孔隙比e_m与膨润土颗粒承受的有效应力p之间满足分形关系,该关系可用来计算膨润土的膨胀变形。通过对压实膨润土在盐溶液中颗粒的分散情况以及颗粒表面的分形特性,推导出该渗透应力的表达式,进而得出膨润土颗粒所承受的有效应力。将所提出的有效应力代入分形模型中,计算GMZ01和MX-80膨润土在不同浓度NaCl溶液中的膨胀变形,将现有的两种膨润土膨胀试验结果与模型计算结果对比,发现具有较好的吻合度,在蒸馏水以及各浓度的盐溶液中膨润土的膨胀变形都可采用统一的e_m-p曲线表示,表明提出的有效应力符合膨润土颗粒在盐溶液中的实际受力情况。分形模型为研究膨润土在盐溶液中的膨胀性质提供了有效的计算方法。     

高放废物地质处置库预选缓冲材料压缩性能研究

缓冲材料是高放废物深地质处置多重屏障系统中非常重要的一道人工屏障，内蒙古高庙子钠基膨润土被确定为我国高放废物深地质处置缓冲材料的首选基料。通过研究该钠基膨润土（GMZ01）在不同含水量条件下的压实成型性、不同压实干密度和不同含水量压实样品的无侧限压缩性能，认为：含水量为15％的高庙子天然钠基膨润土压实成型性最好，压实干密度越大，无侧限抗压强度越大；在无侧限压缩实验时，含水量为15％的高密度压实膨润土样品比含水量为10％和20％的样品的抗压强度大，变形小。     

我国高放废物处置库缓冲／回填材料压实膨胀特性研究

本文研究了我国高放废物地质处置库缓冲／回填材料－内蒙古高庙子膨润土的压实、膨胀力和膨胀变形特性。实验结果表明，膨润土样品的压实密度与压制压力和蒙脱石含量有关，膨胀力与样品压实密度和蒙脱石含量有关，样品在荷载作用下膨胀变形明显减小。     

Characterization and iodide adsorption behaviour of HDPY+ modified bentonite

Owing to its favourable physical, chemical and rheological properties, densely compacted bentonite or bentonite-sand mix is considered as a suitable buffer material in deep geological repositories to store high level nuclear waste. Iodine-129 is one of the significant nuclides in the high level waste owing to its long half life and poor sorption onto most geologic media. Bentonite by virtue of negatively charged surface has negligible affinity to retain iodide ions. As organo-bentonites are known to retain iodide ions, the present study characterizes hexadecylpyridinium chloride (HDPyCl.H₂O) treated bentonite from Barmer India (referred as HDPy⁺B) for physico-chemical properties, engineering properties and the iodide adsorption behavior of the organo clay. Batch experiments revealed that HDPy⁺ ions are largely retained (94 % retention) via cation exchange; the ion-exchange process neutralizes the negative surface charge and bridges clay particles leading to reduction in Atterberg limits, clay content and sediment volume. The organo clay retains iodide by Coulombic attraction (at primary sites) and anion exchange (at secondary sites). The free-energy change (ΔG ^o = ?25.5 kJ/mol) value indicated that iodide retention by organo clay is favored physical adsorption process. Iodide adsorption capacity of organo clay decreased significantly (85–100 %) on dilution with 50–80 % bentonite. On the other hand, dilution of bentonite with 50 % organo clay caused 58 % reduction in swell potential and 21 % reduction in swell pressure.     

Soil Permeability Controlled by Particle–Fluid Interaction

In this paper, Atterberg limits and hydraulic conductivity tests are performed in sand samples mixed with different amounts of silt, zeolite and bentonite. The testing liquids consist of kerosene, two paraffin oils with different viscosities, distilled water and 1, 10 and 1,000 mol/m3 calcium chloride solutions. Experimental results show that soils completely lost their plasticity when are in contact with light non-aqueous phase liquids, and that the liquid limit depends on the dynamic viscosity of the fluid surrounding the particles. Also, tested soils show different hydraulic conductivity with water before and after Ca²⁺ ions are introduced in the permeating fluid, in agreement with the change in the formation Gibbs free energy and diffuse double layer theory. Finally, the influence of viscosity ratio, specific surface of particles, soil fabric and PFI on hydraulic conductivity is discussed and related to the effective particle diameter and soil void ratio.     

黄土与其矿物颗粒表面水膜类型及其定量表征

黏性土中细粒表面水膜是影响其物理力学性质的内在因素。经典土力学一般将土粒表面水膜分为强结合水和弱结合水,即所谓双电层模型,弱结合水的存在是土具有可塑性的原因,强弱结合水的界限含水率为塑限,该模型很好地解释了黏性土的稠度变化及其有关的物理力学行为。然而,通过等温吸附试验发现,土粒表面还存在吸附水膜,对非饱和土高吸力段的物理力学特性有重要影响。为此,本文将黄土颗粒表面水膜分为单层吸附水、多层吸附水、强结合水、弱结合水和自由水5种类型。取甘肃正宁Q₂最顶层的L₂黄土试样,采用等温吸附和液限、塑限测试,对该黄土样和其中的单矿物颗粒各水膜之间的界限含水率进行了定量表征,并测试黄土试样的土水特征曲线（SWCC）,在SWCC上界定了这些界限含水率与基质吸力的关系。当水汽压很低时,土粒表面的吸力来自水的偶极分子与颗粒表面离子间的静电引力,形成单层吸附水,水膜厚度为1个水分子直径;离颗粒表面超出水分子直径的地方,吸力来自范德华力,水的偶极子相互靠拢呈定向排列,形成了多层吸附水;当土粒周围水分增加,颗粒表面未平衡掉的分子引力又可吸引更多的极化水分子,此时在吸附水的周围形成结合水,结合水又分为强结合水和弱结合水;吸附水和结合水膜以外的水为自由水。     

Mathematical prediction of lead removal from carbonate-rich illite

The interaction between heavy metal contaminants and surface forces associated with the reactive surfaces of soil particles was studied with the aim of developing an analytical tool that would permit the prediction of heavy metal and soil sorption–desorption phenomena. The predictive model developed in this study considers the energy of the interaction developed between a lead contaminant and illitic soil. Since these energy calculations include both inner and outer sphere complexes, energy balance requirements can be realistically evaluated with respect to environmental mobility. For a comparison between the calculated values obtained from the predictive model and experimentally obtained measurements, laboratory batch equilibrium tests and electro–kinetic tests were used. These were concerned with the sorption–desorption determination of illitic soil samples with the lead contaminant in the form of a lead nitrate solution. The force balance of lead ions indicates that lead ions in the so-called Stern layer, i.e. the first two layers of a water molecule, are non-removable. Good correlations between calculated and measured values were obtained.     

An unsaturated hydraulic conductivity model for compacted GMZ01 bentonite with consideration of temperature

As one of the most important properties of compacted bentonite used as buffer/backfill materials, hydraulic conductivity is influenced by various factors including temperature, microstructure and suction (or degree of saturation), etc. Based on the readily available results of both temperature-controlled water-retention tests and unsaturated infiltration tests under confined (constant volume) conditions, influences of temperature and microstructure variations on unsaturated hydraulic conductivity of the compacted Gaomiaozi (GMZ01) bentonite were analyzed. Then, a revised unsaturated hydraulic conductivity model considering temperature effects and microstructure changes was developed. With this proposed model, prediction and comparison were made on the unsaturated hydraulic conductivity of the compacted GMZ01 bentonite at 20 °C. Results show that water-retention capacity of compacted GMZ01 bentonite decreases as temperature increases and the degree of the temperature influence depends on suction. Under confined conditions, influence of hydration on microstructure of compacted GMZ01 bentonite depends on pore size. The proposed model can well describe the variations of unsaturated hydraulic conductivity with suction at different temperatures. However, further improvement of the proposed model is needed to account for the phenomenon of inter-aggregate pores clogging that occurred at the initial stage of hydration of compacted GMZ01 bentonite under confined conditions.